纳米技术的卓越成就

1、主要内容主要内容 纳米薄膜 纳米陶瓷 纳米表面加工 纳米机电系统 纳米电子器件 一一 纳米纳米薄膜薄膜 纳米薄膜纳米薄膜：厚度为纳米尺度并具有特殊性能的薄膜：厚度为纳米尺度并具有特殊性能的薄膜 纳米颗粒膜纳米颗粒膜：由纳米颗粒堆积或自组装或镶嵌在聚合：由纳米颗粒堆积或自组装或镶嵌在聚合物中形成的薄膜物中形成的薄膜 纳米晶薄膜纳米晶薄膜：由纳米尺度晶相构成的薄膜：由纳米尺度晶相构成的薄膜 纳米多层膜纳米多层膜：以纳米薄膜作为基本结构单元有序叠加：以纳米薄膜作为基本结构单元有序叠加构成的薄膜构成的薄膜 调制波长调制波长：多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和：多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和 “

2、超晶格超晶格”薄膜薄膜：当调制波长比各薄膜单晶的晶格常：当调制波长比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更大时的薄膜数大几倍或更大时的薄膜 不同不同纳米结构薄膜的结构比较纳米结构薄膜的结构比较基材纳米颗粒纳米(晶)相纳米薄膜 纳米薄膜的纳米薄膜的性质性质 超高硬度超高硬度TiC/Fe(8nm/6nm)多层膜，维氏硬度多层膜，维氏硬度42GPa(TiC硬度硬度29GPa)，但，但TiC/聚四氟乙烯：聚四氟乙烯：8GPa 增韧增韧 在传统多层结构材料在传统多层结构材料(如钢化玻璃如钢化玻璃)中存在增韧现象，其增中存在增韧现象，其增韧机理为裂纹尖端钝韧机理为裂纹尖端钝 化、裂纹分支、层片拔出以及沿界化、裂纹

3、分支、层片拔出以及沿界面的界面开裂等，在纳米材料中存在类似的增韧机制面的界面开裂等，在纳米材料中存在类似的增韧机制.耐磨性耐磨性 多层膜调制波长越小，使其磨损明显变大的临界载荷越大多层膜调制波长越小，使其磨损明显变大的临界载荷越大 制备方法制备方法 真空镀膜法真空镀膜法 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 LB膜法膜法 电化学沉积法电化学沉积法 分子束外延沉积分子束外延沉积 其他制备方法其他制备方法 化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD) 等离子辅助气相沉积法等离子辅助气相沉积法(PACVD) 物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD) 层层自组装层层自组装(LBL) 挥发诱导自组装法挥发诱导自组装法(EIS

4、A)指显微结构中的物相指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。在纳米量级的水平上的陶瓷材料。纳米陶瓷的晶粒、晶界以及它们之间的结合纳米陶瓷的晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平。都处在纳米尺寸水平。二二 纳米陶瓷纳米陶瓷纳米材料是指晶粒尺寸小于纳米材料是指晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶的单晶体或多晶体，是介于宏观和微观之间的一种介观体系。体，是介于宏观和微观之间的一种介观体系。纳米数量级的介观粒子具有的独特性质，主要包括纳米数量级的介观粒子具有的独特性质，主要

5、包括表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、道效应、KUBO效应等。效应等。纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都在晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都在纳米尺纳米尺(1100nm)度上。纳米陶瓷复合材料通过有度上。纳米陶瓷复合材料通过有效的分散、复合而使异质纳米颗粒均匀弥散地保留效的分散、复合而使异质纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中，这大大改善了陶瓷材料的强度、于陶瓷基质结构中，这大大改善了陶瓷材料的强度、韧性、耐磨性、超塑性和高

6、温力学性能，克服了工韧性、耐磨性、超塑性和高温力学性能，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学和光学等性能产生重要影响，它被认为是陶瓷磁学和光学等性能产生重要影响，它被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶，因此纳米陶瓷被认为是解研究发展的第三个台阶，因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。决陶瓷脆性的战略途径。要做纳米陶瓷，首先必须制备纳米陶瓷粉体，要做纳米陶瓷，首先必须制备纳米陶瓷粉体，而要真正得到纳米陶瓷，并且达到人们所期望而要真正得到纳米陶瓷，并且达到人们所期望的性能，就必须对纳米陶瓷粉体有一些必要的的性能，就必须对纳米陶瓷

7、粉体有一些必要的要求。首先必须保证陶瓷粉体到达纳米级别；要求。首先必须保证陶瓷粉体到达纳米级别；其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、尺寸分布狭窄、几何形状归一尺寸分布狭窄、几何形状归一(接近球形接近球形)、晶相、晶相稳定；另外一个重要的要求就是无团聚或团聚稳定；另外一个重要的要求就是无团聚或团聚低。低。纳米粉纳米粉体的制备体的制备方法及其对比方法及其对比优点缺点气相法气相法纯度高、团聚较少、纯度高、团聚较少、烧结性较好烧结性较好设备昂贵，产量较低设备昂贵，产量较低，不易普及，不易普及液相法设备简单、无需高真设备简单、无需高真空等苛刻的物理条件空等苛刻

8、的物理条件、易放大、纯净、团、易放大、纯净、团聚小，容易实现工业聚小，容易实现工业化生产化生产暂无固相法设备简单、操作方便设备简单、操作方便 纯度不高、粒度分布纯度不高、粒度分布较大较大从表中可以看出，液相法优势明显纳米陶瓷的制作流程纳米陶瓷的制作流程 从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料，就是通过某种工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保持了纳米晶的特性。纳米陶瓷粉体的制备成型烧结纳米陶瓷的应用及前景良好的保温材料良好的保温材料 通过溶胶-凝胶法制成的陶瓷具有多孔，且特别的轻，能承受自重100倍以上的力，它可以广泛用于隔热，承载节能又环保。更坚硬的切割工具更坚硬的切割工具 采

9、用高科技精密加工制造而成，具有金属刀具所采用高科技精密加工制造而成，具有金属刀具所无法比拟的优点，具有高密度、无孔隙、无磁性、无法比拟的优点，具有高密度、无孔隙、无磁性、高硬度、耐腐蚀性强、化学稳定性好、高耐磨性等高硬度、耐腐蚀性强、化学稳定性好、高耐磨性等特点，使用时不粘污，易于清洁且抑菌，刃口锋利特点，使用时不粘污，易于清洁且抑菌，刃口锋利无比，是真正意义上的永不磨损、永不腐蚀的无比，是真正意义上的永不磨损、永不腐蚀的“贵贵族刀族刀”。 消除环境污染消除环境污染纳米材料具有特别大的晶界表面，其物理，化学，机械性能特别活跃，因此可以用作有毒气体如一氧化碳，氮氧化物的催化剂，用于汽车或能源装置

10、中，可以消除污染 军事领域 纳米陶瓷具有高活性和耐冲击的性能。因此，可以大大地改善武器和装甲的抗烧蚀性和抗冲击性、提高硬度、减轻重量、延长使用寿命等。纳米吸波材料 军用隐形战机纳米 防弹背心纳米陶瓷的应用纳米陶瓷的应用 抗菌（杀菌）方面 抗菌(杀菌)陶瓷是一种保护环境的新型功能材料，是抗菌剂、抗菌技术与陶瓷材料结合的产物，也是材料科学与微生物学相结合的产物。纳米陶瓷抗菌餐具纳米陶瓷的应用纳米陶瓷的应用 压电方面 由于纳米陶瓷晶体结构上没有对称中心，具有压电效应。通过控制纳米晶粒的生长可获得量子限域效应，以及性能奇异的铁电体，以提高压电热解材料机电转换和热释性能。压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电

11、变压器压电变压器纳米陶瓷的应用纳米陶瓷的应用 汽车工业 纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、超塑性、高耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能，拓展了它在汽车工业中的应用领域。手动挡杆纳米陶瓷轴承纳米陶瓷的应用纳米陶瓷的应用宝马一款大量使用陶瓷材料的发动机富士康全世界第一款纳米陶瓷风扇纳米陶瓷轴承（纳米陶瓷轴承（NCBNCB）的风扇：耐高温，纳米级的粒）的风扇：耐高温，纳米级的粒子润滑剂性能好，子润滑剂性能好， 寿命成倍延长。防止温度过高寿命成倍延长。防止温度过高而卡住轴心的现象而卡住轴心的现象下一代电脑芯片下一代电脑芯片 纳米陶瓷由于具有超高纯度，良好的导热纳米陶瓷由于具有超高纯

12、度，良好的导热性和长久的抗干扰性，可以使微处理器集性和长久的抗干扰性，可以使微处理器集成化更高，运行速度更快成化更高，运行速度更快。三三 纳米表面加工纳米表面加工 纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨要求超过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。 几种几种新兴的纳米加工技术新兴的纳米加工技术 利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜扫描

13、隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术 化学合成方法化学合成方法 化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一 种途径用化学过程“自下而上”地把微观体系的物 质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合 成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研 究化学合成方法非常重要。 通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 用STM移动分子组成的IBM字样图 用STM观察石墨原子排列移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告 图 STM工作过程演示STM图 STM实物照片 扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹 聚焦离子束技术聚焦离子束技术 聚焦离子束(FIB)技

14、术是在电场和磁场的作下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统 及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳米结构的无掩模加工。 准分子激光直写准分子激光直写纳米加工技术 准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能 量大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加工材 料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMS和纳米 加工技术。 四四 纳米机电系统纳米机电系统 NEMS被形容为MEMS与纳米技术的结晶；在美国国防部高等研究计划署(Drapa)掌管NEMS研究的DennisPolla表示：“如果某系统有一个关键机械零件或架构的尺寸小于1微米(micrometer)，

15、并且能整合其它不同的零件，那就是NEMS。”他指出，该单位认为NEMS技术就是“下一场微型化革命”。Darpa I-E在研究将NEMS技术与传感器、致动器(actuators)、电子组件与光学组件、甚至微流体组件整合的方法。NEMS的优点 高速度(gigahertz) 低漏电 与现有CMOS制造设备兼容 以及可进军传统芯片无法运作之严苛环境（包括汽车、工业领域的储存设备，或是RF与生物医疗应用）开创一系列特殊应用 1994年世界最小的电动机在美国年世界最小的电动机在美国6家科家科研研单位的通力协作下完成，这单位的通力协作下完成，这架电动机主轴架电动机主轴的的直径仅有直径仅有2103nm，体积体

16、积只有一个只有一个红血球红血球那么那么大。大。超微型电动机超微型电动机人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮五五 纳米电子器件纳米电子器件 单电子晶体管SED 分子晶体管 碳纳米晶体管 单单电子晶体管电子晶体管由两个极薄的绝缘层夹一个小岛（库仑岛，尺寸小于10nm）组成。当加在栅上的电压变化引起库仑岛中电荷变化量不到一个电子的电荷，则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时。源漏之间有电流通过。 GSD 有机有机分子场效应晶体管分子场效应晶体管 该技术利用了分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1纳米到2个纳米，是目前世界最小的

17、晶体管。同时具有制造简单，造价低廉的优点。 碳纳米碳纳米管管1991年日本年日本NEC公司公司饭岛等发现纳米碳管，饭岛等发现纳米碳管，立刻引起了许多科技立刻引起了许多科技领域的科学家们极大领域的科学家们极大关注关注 Nature (1991) 碳纳米管是由多个碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米，长度为几至几十微米。米。 碳纳米管可以因直径碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导好的金属导电性或半导体性。体性。 具有极好的可弯折性具有极好的可弯折性具有极好的可扭曲性具有极好的可扭曲性。 碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6